§ 19.1. Возбуждение синхронных машин

При рассмотрении принципа действия син­хронного генератора (см. § 6.1) было установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n₁. При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При про­хождении по этой обмотке постоянного тока возни­кает МДС возбуждения, которая наводит в магнит­ной системе машины магнитное поле.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения (см. § 28.2), называемые возбудителями В (рис. 19.1, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пита­ние постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (r₁) и подвозбудителя (r₂).

В синхронных генераторах средней и большой мощности про­цесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности — турбогене­раторах (см. § 19.2) — иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа (см. § 23.6). На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.

Рис. 19.1. Контактная (а) и бесконтактная (б) системы

электромагнитно­го возбуждения синхронных генераторов

Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индуктор­ного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бескон­тактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 19.1, 5), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмот­ка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осу­ществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а об­мотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной маши­ны и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) — генератора постоянного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения син­хронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную на­дежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах (см. § 19.2), получил распространение принцип самовозбуждения(рис. 19.2, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупро­водниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию по­стоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Рис. 19.2. Принцип самовозбуждения синхронных генераторов

На рис. 19.2, б представлена структурная схема автоматиче­ской системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток пода­ется в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряже­ния на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включае­мые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхронных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение от­носится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами,когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ воз­буждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуж­дения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности мате­риалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбу­ждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт (см. §23.1).

24. Электромагнитный момент, мощность и угловые характеристики неявнополюсной синхронной машины

Угловые характеристики синхронного генератора

Электромагнитная мощность неявнополюсного синхронного генератора при его параллельной работе с сетью

(21.7)

где - угол, на который продольная ось ротора смещена относительно продольной оси результирующего поля машины (рис. 21.4).

Электромагнитная мощность явнополюсного синхронного генератора

(21.8)

где и — синхронные индуктивные сопротивления явнополюсной синхронной машины по продольно и поперечной осям соответственно, Ом.

Разделив выражения (21.7) и (21.8) на синхронную угловую скорость вращения , получим выражения электромагнитных моментов:

неявнополюсной синхронной машины

(21.9)

явнополюсной синхронной машины

(21.10)

где М — электромагнитный момент, Нм.

Анализ выражения (21.10) показывает, что электромагнитный момент явнополюсной машины имеет две составляющие: одна из них представляет собой основную составляющую электромаг­нитного момента

. (21.11)

другая — реактивную составляющую момента

. (21.12)

Основная составляющая электромагнитного момента яв­нополюсной синхронной машины зависит не только от напряже­ния сети (U₁), но и от ЭДС , наведенной магнитным по­током вращающегося роторав обмотке статора:

. (21.13)

Это свидетельствует о том, что основная составляющая электро­магнитного момента зависит от магнитного потока ротора: ≡ . Отсюда следует, что в машине с невозбужденным рото­ром (= 0) основная составляющая момента = 0.

Реактивная составляющая электромагнитного момента не зависит от магнитного потока полюсов ротора. Для возникновения этой составляющей достаточно двух условий: во-первых, чтобыротор машины имел явновыраженные полюсы () и, во-вторых, чтобы к обмотке статора было подведено напряжение сети( ≡ ). Подробнее физическая сущность реактивного момента будет изложена в § 23.2.

При увеличении нагрузки синхронного генератора, т. е. с ростом тока I₁ происходит увеличение угла , что ведет к изменению электромагнитной мощности генератора и его электромагнитного момента. Зависимости и, представленные графически, называются угловыми характеристиками синхронной машины.

Рассмотрим угловые характеристики электромагнитной мощности и электромагнитного момента явнополюсного синхронного генератора (рис. 21.5). Эти характеристики построены при условии постоянства напряжения сети () и магнитного потока возбуждения, т. е. = const. Из выражений (21.8) и (21.11) видим, что основная составляющая электромагнитного момента и соответствующая ей составляющая электромагнитной мощности изменяются пропорционально сину­су угла (график1), а реактивная составляющая момента (21.12) и соответствующая ей составляющая электромагнитной мощности изменяется пропорционально синусу угла 2 (график 2). Зависимость результирующего момента и электромагнитной мощностиот углаопределяется графиком3, полученным сложением значений моментов и и соответствую­щих им мощностей по ординатам.

Рис. 21.5. Угловая характеристика синхронного генератора.

Максимальное значение электромагнитного момента со­ответствует критическому значению угла .

Как видно из результирующей угловой характеристики (гра­фик 3), при увеличении нагрузки синхронной машины до значе­ний, соответствующих углу ≤, синхрон­ная машина работаетустойчиво. Объясняется это тем, что при ≤ , рост нагрузки генерато­ра (увеличение ) со­провождается увеличе­нием электромагнитно­го момента. В этом слу­чае любой установив­шейся нагрузке соответ­ствует равенство враща­ющего момента первичного двигателя сумме противодействую­щих моментов, т. е. . В результате частота вращенияротора остается неизменной, равной синхронной частоте вращения.

При нагрузке, соответствующей углу >, электромагнит­ный момент M_я, уменьшается, что ведет к нарушению равенства вращающего и противодействующих моментов. При этом избы­точная (неуравновешенная) часть вращающего момента первично­го двигателя вызывает увеличение частоты вращения ротора, что ведет к нарушению условий синхронизации (машина выходит из синхронизма).

Электромагнитный момент, соответствующий критическому значению угла (), является максимальным М_mах.

Для явнополюсных синхронных машин = 60÷80 эл. град.Угол можно определить из формулы

(21.14)

Здесь

. (21.15)

У неявнополюсных синхронных машин = 0, а по­этому угловая характеристика представляет собой синусоиду и угол = 90°.

Отношение максимального электромагнитного момента М_max к но­минальному называетсяперегрузочной способностью синхронной машины или коэффициентом статической перегружаемости:

. (21.16)

Пренебрегая реактивной составляющей момента, можно записать

, (21.17)

т.е. чем меньше угол , соответствующий номинальной на­грузке синхронной машины, тем больше ее перегрузочная способ­ность. Например, у турбогенератора = 25 ÷ 30°, что соответст­вует = 2,35÷2,0.

25. Основные характеристики синхронной машины: холостого хода, короткого замыкания, регулировочная, нагрузочная, внешняя характеристики

Свойства синхронного генератора определяются характеристиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регу­лировочными.

Характеристика холостого хода синхронного генератора. Представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U₁ = Е₀ от тока возбуждения I_в.0 при n₁ = const. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики х.х. приведена на рис. 20.9, а. Если характеристики х.х.различных синхронных генераторов изобразить в относительныхединицах Е_* = f (I_в*), то эти характеристики мало отличаются друготдруга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х.(риc. 20.9, б), которую используют при расчетах синхронных машин:

E*	0,58	1,0	1,21	1,33	1,40	1,46	1,51
Iв*	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5

Здесь E_* = Е₀ / U_1ном — относительная ЭДС фазы обмотки статора;

I_в* = I_в0 /I_в0ном — относительный ток возбуждения; I_в0ном — ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х.х. Е₀ = U_1ном

Характеристика короткого замыкания. Характеристикутрехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмоткистатора замыкают накоротко (рис. 20.10, а) и при вращении роторас частотой вращения n₁ постепенно увеличивают ток возбуждениядо значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I_1к = l,25 I_1ном). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в несколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следовательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине ха­рактеристика к.з. представляет собой прямую линию (рис. 20.10, б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравне­нию с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая r₁ ≈ 0, можно считать, что при опыте к.з. нагрузка синхронного генерато­ра (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного гене­ратора имеет продольно-размагничивающий характер (см. § 20.3).

Векторная диаграм­ма, построенная для ге­нератора при опыте трехфазного к.з., пред­ставлена на рис. 20.10, в. Из диаграммы вид­но, что ЭДС инду­цируемая в обмотке ста­тора, полностью урав­новешивается ЭДС продольной реакции якоря и ЭДС рассеяния .

Рис. 20.9. Опыт холостого хода синхронного генератора

При этом МДС обмотки возбуждения имеет как бы две со­ставляющие: одна ком­пенсирует падение на­пряжения , а дру­гая компенсирует раз­магничивающее влия­ние реакции якоря.

Характеристики к.з. и х.х. дают возможность определить значения токов возбуждения, со­ответствующие указан­ным составляющим МДС возбуждения. С этой целью характери­стики х.х. и к.з. строят в одних осях (рис. 20.11), при этом на оси ор­динат отмечают относительные значения напряжения х.х. Е_* = E₀/ U_1ном и тока к.з. I_к* = I_1к/ I_1ном. На оси ординат отклады­вают отрезок ОВ, выражающий в масштабе напряжения относительное значение ЭДС рассеяния . Затем точку В сносят на

Рис. 20.10. Опыт короткого замыкания син­хронного генератора

Рис. 20.11. Определение состав­ляющих тока к.з.

характеристику х.х. (точка В') и опускают перпендикуляр B'D на ось абсцис. Полученная точка D разделила ток возбуждения I_в0ном на две части: I_вх — ток возбуждения, необходимый для компен­сации падения напряжения , и— ток возбуждения, компен­сирующий продольно-размагничивающую реакцию якоря.

Один из важных параметров синхронной машины — отно­шение короткого замыкания (ОКЗ), которое представляет собой отношение тока возбуж­дения I_в0ном, соответствующего номинальному напряжению при х.х., к току возбуждения I_в.к.номсоответствующему номиналь­ному току статора при опыте к.з. (рис. 20.10, б):

OK3 = I_B0HOM/ I_B.K.HOM. (20.34)

Для турбогенераторов ОКЗ = 0,4 ÷ 0,7; для гидрогене­раторов ОКЗ = 1,0 ÷ 1,4.

ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины: машины с малым ОКЗ менее устой­чивы при параллельной работе (см. гл. 21), имеют значительные колебания напряжения при изменениях нагрузки, но такие маши­ны имеют меньшие габариты и, следовательно, дешевле, чем ма­шины с большим ОКЗ.

Внешняя характеристика. Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U₁ = f (I₁) при I_в = const; соs φ₁, = const; n₁ = n_ном = const. На рис. 10.12, а представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора.

При активной нагрузке (соs φ₁ = 1) уменьшение тока нагрузки I₁ сопровождается ростом напряжения U₁, что объясняется уменьшением падения напряжения в обмотке статора и ослабле­нием размагничивающего действия реакции якоря по поперечной оси. При индуктивной нагрузке (cos φ₁ < 1; инд.) увеличение U₁ при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока I₁ ослабляется размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря (см. § 20.3). Однако в случае емкостной нагрузки генератора (cos φ₁ < 1; емк.) уменьшение I₁ со­провождается уменьшением напряжения U₁, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия продольной составляющей реакции якоря.

Изменение напряжения синхронного генератора, вызванное сбросом номинальной нагрузки при I_в = const и n₁ = const, называется номинальным изменением (повышением) напряжения (%):

(20.35)

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому ΔU_1ном отрицательно.

В процессе эксплуатации синхронного генератора напряжение U₁ при колебаниях нагрузки поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов. Однако во избежа­ние повреждения изоляций обмотки ΔU_ном, не должно превышать 50%.

Рис. 20.12. Внешние (а) и регулировочные

(б) характеристики син­хронного генератора

Регулировочная характеристика. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, что­бы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I_в = f (I₁) при U₁ = U_1ном = const; n₁ = n_ном = const и cos φ₁ = const. На рис. 20.12, б представлены регулировочные харак­теристики синхронного генератора. При активной нагрузке (соs φ₁ = 1) увеличение тока нагрузки I₁ сопровождается уменьшением напряжения U₁, поэтому для поддержания этого напряжения неиз­менным по мере увеличения тока нагрузки I₁ следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cos φ₁ < 1;инд.) вызывает более резкое понижение напряжения U₁ (рис. 20.12, а), поэтому ток возбуждения I_в, необходимый для поддержания U₁ = U_1ном следует повышать в большей степени. При емкостном же характере нагрузки (cos φ₁ < 1; емк.) увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжения U₁, поэтому для поддержания U₁ = U_1ном ток возбуждения следует уменьшать.

26. Реакция якоря неявнополюсной синхронной машины: уравнения напряжения и МДС, векторная диаграмма

Реакция якоря в неявнополюсной машине. В этоймашине воздушный зазор между статором и ротором по всей окружности остается неизменным, поэтому результирующий магнитный поток машины Ф_рез и создаваемую им ЭДС Е при любой нагрузке можно определить по характеристике холостого хода, исходя из результирующей МДС F_рез.Однако при отсутствии насыщения в магнитной цепи машины этот метод определения потока Ф_резможно существенно упростить, так как от сложенияуказанных МДС можноперейти к непосредственному сложению пространственных векторов соответствующих потоков:

(6.6)

Ф^→_рез = Ф^→_в + Ф^→_а .

Рассмотрим влияние реакции якоря на рабочие свойства синхронной машины при различных углах сдвига фаз ψ между ЭДС Е₀и током I_ав обмотке якоря. Этот угол определяется характером нагрузки, т. е. значениями сопротивленийR, X_Lи Х_Cнагрузки.

Рис. 6.19. Магнитные потоки в неявнополюсной машине при различных углах ψ нагрузки

Рис. 6.20. Кривые распределения индукции в неявнополюсной машине и векторные диаграммы потоков и ЭДС при различных углах ψ

При ψ = 0 (рис. 6.19, аи 6.20,а) ток в фазеАХ достигает максимума в  момент времени, когда  оси полюсовN иSротора совпадают с осью среднего паза рассматриваемой обмотки. Известно (см. гл. 3), что в машинах переменного тока ось магнитного потока, создаваемого всеми фазами обмотки якоря, совпадает с осью той фазы, ток в которой максимален. Следовательно, в данный момент времени ось потока якоря совпадает с осью фазыАХ, т. е. отстает от оси потока ротора на 90 электрических градусов.

Для этого случая показаны диаграммы распределения основных гармонических магнитных полей. Кривая распределения индукции В_а = f(x) для двухполюсной машины смещена относительно кривой индукцииB_в = f(x) в пространстве на 90°, т. е. поток якоря Ф_адействует в направлении, перпендикулярном действию потока возбуждения Ф_в(поперек оси полюсов). В теории синхронной машины ось, проходящую через середину полюсов, называютпродольной и обозначаютd-d; ось, проходящую между полюсами, называютпоперечной и обозначаютq-q. Следовательно, при ψ = 0поток якоря действует по поперечной оси машины. Кривая распределения результирующей индукцииВ_рез=f(x) при этом сдвигается относительно кривойВ_в=f(x) против направления вращения ротора. В соответствии с пространственным сдвигом кривых распределения индукции сдвигаются и векторы потоков на временной векторной диаграмме, т. е. вектор Ф_аотстает от вектора Ф_вна 90°. При этом модуль вектора результирующего потокаФ_рез = √Ф_в² + Ф_а².

При ψ = 90° (рис. 6.19,би 6.20,б) ток в фазеАХ достигает максимума на четверть периода позднее момента, соответ­ствующего максимуму ЭДСЕ₀. За это время полюсы ротора перемещаются на половину полюсного деления, вследствие чего криваяВ_а =f(x) смещается относительно кривойВ_в=f(x) на 180°. При этом поток якоря Ф_адействует по продольной оси машины против потока возбуждения Ф_в; результирующий поток Ф_рез= Ф_в- Ф_асильно уменьшается, вследствие чего уменьшается и ЭДС якоряЕ. Таким образом,при ψ = 90°реакция якоря действует на машину размагничивающим образом.

При ψ = - 90° (рис. 6.19, ви 6.20,в) поток якоря также действует по продольной оси машины, но совпадает по направлению с потоком возбуждения, т. е. Ф_рез= Ф_в+ Ф_а . Следовательно,при ψ = - 90°реакция якоря действует на машину подмагничивающим образом, увеличивая ее результирующий поток Ф_рези ЭДСЕ.

Выводы, полученные на основании рассмотренных трех случаев, можно распространить и на общий случай, когда —90° < ψ < 90°. При этом характерным является то, что отстающий ток (активно-индуктивная нагрузка)размагничивает машину, а опережающий ток (активно-емкостная нагрузка)подмагничивает ее.

ЭДС Е при работе генератора под нагрузкой можно рассматривать как сумму двух составляющих

(6.7)

É = É₀ + É_а .

ЭДС Е_апропорциональна потоку Ф_а , а при отсутствии насыщения и токуI_ав обмотке якоря, поэтому ее можно рассматривать как ЭДС самоиндукции, индуцированную в обмотке якоря, и представить в видеÉ_а = -jÍ_аХ_а , гдеХ_а — индуктивное сопротивление синхронной машины, обусловленное потоком якоря.

Рис. 6.21. Кривые распределения МДС якоря и создаваемой   ею   индукции   в   явнополюсной машине

27. Реакция якоря явнополюсной синхронной машины: уравнения напряжения и МДС, векторная диаграмма

Реакция якоря в явнополюсной машине.В этой машиневоздушный зазор между статором и ротором не остается постоянным — он расширяется по направлению к краям полюсов и резко увеличивается в зоне междуполюсного пространства. Следовательно, поток якоря здесь зависит не только от значения МДС якоряF_а , но и от положения кривой распределения этой МДСF_a = f(x)относительно полюсов ротора, так как одна и та же МДС якоря в зависимости от ее пространственного положения создает различные магнитные потоки.

Так, например, при угле ψ = 0 (рис. 6.21, а), когда поток якоря направлен по поперечной оси машины (q-q), кривая распределения индукцииВ_а = В_аqимеет седлообразную форму, хотя МДС якоряF_aраспределена синусоидально. При этом максимуму МДСF_aсоответствует небольшая индукция, так как магнитное сопротивление воздушного зазора максимально. При угле ψ = 90° (рис. 6.21,б), когда поток якоря направлен по продольной оси машины, кривая распределения индукцииВ_а=B_adрасположена симметрично относительно оси полюсовd-d. В этом случае индукция имеет большее значение, чем при ψ = 0, так как магнитное сопротивление воздушного зазора в данном месте невелико. Соответственно различные максимальные значения имеют и первые гармо-ническиеB_ad1иB_aq1указанных кривых (штриховые линии).

Рис. 6.22. Продольные и поперечные составляющие векторов МДС Faи тока якоряIа

Рис.  6.23.  Векторная диаграмма  потоков  ФadиФаqи ЭДСEad иЕаqявнополюсной машины и их определение по характеристике холостого хода

В связи с изменением результирующего сопротивления воздушного зазора при различных режимах явнополюсной машины при анализе ее работы используют так называемый метод двух реакций. Согласно этому методу, МДС якоря F_aв общем случае представляют в виде суммы двух составляющих —продольной F_ad =F_a sinψ ипоперечной F_aq = F_a cosψ (рис. 6.22,а), причем F^→_a = F^→_ad + F^→_aq . Продольная составляющая F^→_ad создает продольный поток якоря Ф_ad , индуцирующий в обмотке якоря ЭДСE_ad , а поперечная составляющая F^→_aq — поперечный поток Ф_aq,индуцирующий ЭДСЕ_aq , причем принимают, что эти потоки не оказывают влияния друг на друга. В соответствии с принятым методом ток якоряI_a создающий МДСF_a , также представляют в виде двух составляющих — продольнойI_а и поперечнойI_q (рис. 6.22,б).

Магнитные потоки Ф_ad и Ф_aqи индуцируемые ими ЭДСЕ_ad иЕ_aq(рис. 6.23,а) можно определить по кривой намагничивания машины или по спрямленной характеристике (рис. 6.23,6). Однако кривая намагничивания строится для МДС возбуждения, имеющей не синусоидальное, а прямоугольное распределение вдоль окружности якоря. Чтобы воспользоваться этой кривой или спрямленной характеристикой, МДСF_adиF_aqследует привести к прямоугольной МДС возбужденияF_в, т. е. найти их эквивалентные значенияF'_adиF'_aq.

Установление эквивалентных значении F'_ad иF'_aq производят на следующем основании: МДСF_ad иF_aq создают в воздушном зазоре машины индукцииВ_adиВ_aq , распределенные вдоль окружности якоря так же, как и индукции, создаваемые МДСF_a соответственно при углах ψ = 0 и ψ = 90° (см. рис. 6.21,а, б). Первые гармоническиеВ_adlиВ_aq1кривыхB_ad = f(x) иВ_aq = f(x) образуют магнитные потоки

Ф_ad = F_ad /R_{м ad} ; Ф_aq = F_aq /R_{м aq} ,

где R_{м ad}иR_{м aq}— магнитные сопротивления для соответствующих потоков, учитывающие не только форму воздушного зазора, но и синусоидальность кривой распределения МДСF_adиF_aqвдоль окружности якоря. МДС возбуждения может создавать такие же потоки Ф_adи Ф_aqпри меньших значениях МДСF'_adиF'_aq:

Ф_ad = F_ad /R_{м ad} = F'_ad /R_м.в ;

Ф_aq = F_aq /R_{м aq} = F'_aq /R_м.в .

Из последних выражений можно найти коэффициенты реакции якоря k_dиk_q , характеризующие уменьшение эффективных значений МДС якоря:

(6.8)

k_d = F'_ad /F_ad = R_м.в /R_{м ad} ; k_q = F'_aq /F_aq = R_м.в /R_{м aq} ,

где R_м.в— магнитное сопротивление потока возбуждения, учитывающее форму воздушного зазора по продольной оси машины и прямоугольное распределение МДСF_ввдоль окружности якоря. Коэффициентыk_dиk_qфизически характеризуют уменьшение магнитного сопротивления для потока Ф_впо сравнению с потоками Ф_adи Ф_aq. Обычноk_d= 0,80 ÷ 0,95;k_q= 0,30 ÷ 0,65. В машине с явно выраженными полюсами ЭДС Епри работе генератора под нагрузкой можно представить как сумму трех составляющих:

(6.9)

É = É₀ + É_ad + É_aq .

ЭДС E_adиЕ_aq, индуцируемые продольным Ф_adи поперечным Ф_aqпотоками якоря, представляют собой по существу ЭДС самоиндукции, так как потоки Ф_adи Ф_aqсоздаются МДСF_adиF_aq, пропорциональными токамI_dиI_q. Поэтому для ненасыщенной машины можно считать, что

(6.10)

É_ad = -jÍ_d X_ad ; É_aq = -jÍ_q X_aq ,

где X_adиX_aq— индуктивные сопротивления обмотки якоря, соответствующие полям продольной и поперечной реакции якоря.

Для машины с неявно выраженными полюсами МДС якоря приводятся к МДС обмотки возбуждения по формуле

(6.11)

F'_a = k_d F_a .

28. Синхронная машина с постоянными магнитами: конструкция, уравнения напряжения, угловые характеристики